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摘 要
氣動(dòng)穿孔機(jī)在地下非開(kāi)挖鋪管中的應(yīng)用是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的必由之路。這臺(tái)機(jī)器是高科技的最好代表。它是一種高智能的新技術(shù)。它是一種新產(chǎn)品，是一種新的發(fā)展方式。它在地下管線鋪設(shè)中有著非常廣泛的應(yīng)用。因此，氣動(dòng)穿孔機(jī)具有很大的應(yīng)用價(jià)值。
氣動(dòng)穿孔機(jī)是一種能在土壤中行走的設(shè)備。氣動(dòng)穿孔機(jī)由計(jì)算機(jī)控制，在地表的一端土壤進(jìn)入，并從地表另一端的指定位置穿出。其控制的目的是使機(jī)器按照設(shè)計(jì)的軌道向前移動(dòng)，并且在任何時(shí)候改變方向，繞過(guò)障礙物或糾正偏差。
本文主要論述了氣動(dòng)穿孔機(jī)的總體方案、各種型號(hào)的建立與分析、氣動(dòng)沖擊功的計(jì)算、沖擊頭擠壓效果的機(jī)理分析以及機(jī)械檢測(cè)相關(guān)問(wèn)題的研究?？刂啤＝榻B了氣動(dòng)穿孔機(jī)的現(xiàn)狀，介紹了該機(jī)的工作條件和磨損情況。地面實(shí)驗(yàn)建立模型。對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：穿孔機(jī)；非開(kāi)挖技術(shù)；氣動(dòng)沖擊；軌跡可控
II
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ABSTRACT
The application of pneumatic puncher to underground trenchless pipe laying is the only way for the development of modern society. This machine is the best representative of high technology. It is a new technology with high intelligence. It is a new product and a new way of development. It has a very wide application in the laying of underground pipelines. Therefore, pneumatic perforator has great application value.
Pneumatic puncher is a kind of equipment that can walk in the soil. It is controlled by a computer and enters the soil at one end of the earth surface and penetrates from the specified location at the other end of the surface. The purpose of its control is to make the machine move forward according to the designed track, and to change direction at any time, to bypass obstacles or to correct deviations.
This paper mainly discusses the overall plan of pneumatic piercer, the establishment and analysis of various models, the calculation of the pneumatic impact work, the mechanism analysis of the extrusion effect of the impact head and the research on the related problems of the machine detection and control. In this paper, the current situation of the pneumatic perforator is introduced, and the working conditions and the wear of the machine are introduced. Ground experiments to establish a model. The movement process is analyzed.
Key words: perforator; trenchless technology; pneumatic impact; trajectory controllable.
III
目錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1氣動(dòng)穿孔機(jī)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì) 1
2 氣動(dòng)穿孔機(jī)總體構(gòu)成 2
2.1 氣動(dòng)穿孔機(jī)的總體構(gòu)成 2
2.2 鉆孔工作原理 2
2.3 鉆孔工作特點(diǎn) 3
3 氣動(dòng)穿孔機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 4
3.1 運(yùn)動(dòng)模型的建立 4
3.2氣動(dòng)穿孔機(jī)的旋轉(zhuǎn)方位檢測(cè) 6
3.3 氣動(dòng)穿孔機(jī)轉(zhuǎn)彎的曲率半徑分析 7
3.4氣動(dòng)沖擊頭擠壓效應(yīng)機(jī)理分析 9
4 氣動(dòng)穿孔機(jī)本體設(shè)計(jì) 13
4.1 穿孔機(jī)本體結(jié)構(gòu)參數(shù) 13
4.2 錐形鉆頭的設(shè)計(jì)選型 13
4.3 氣動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 14
4.4 氣動(dòng)沖擊結(jié)構(gòu) 15
5 氣動(dòng)穿孔機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18
5.1 電磁閥輸出驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 18
5.2 HMR3300數(shù)字羅盤的原理及其數(shù)據(jù)采集 19
6設(shè)計(jì)總結(jié) 20
參考文獻(xiàn) 21
致謝 22
1 緒論
1.1氣動(dòng)穿孔機(jī)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)
隨著技術(shù)不斷地進(jìn)步以及氣動(dòng)穿孔機(jī)技術(shù)在鉆井施工領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，氣動(dòng)沖擊旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)和氣動(dòng)沖擊器的發(fā)展空間將會(huì)更加的廣泛。啟動(dòng)穿孔的技術(shù)具體發(fā)展趨勢(shì)則體現(xiàn)在：
（1） 沖擊器由小單次沖擊功向大單次及復(fù)合次沖擊功的方向不斷發(fā)展；
（2） 氣動(dòng)沖擊器的適用深度朝著越來(lái)越深的方向發(fā)展，并且鉆孔直徑不斷朝著越來(lái)越大的方向發(fā)展；
（3） 將多個(gè)單體沖擊器組成集束式?jīng)_擊器用于大口徑鉆井;
（4） 該技術(shù)可與多種鉆井工藝相結(jié)合，其中包括反循環(huán)鉆井工藝、套管鉆井工藝和爆破技術(shù)。與反循環(huán)鉆井工藝結(jié)合可解決大直徑鉆孔的排粉問(wèn)題；然而當(dāng)與套管鉆井工藝相結(jié)合時(shí)，則能夠解決松散、破碎底層的護(hù)壁問(wèn)題；當(dāng)與爆破技術(shù)相結(jié)合時(shí)，就可以方便解決大直徑漂石、孤石地層鉆進(jìn)等難題；
（5） 應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。目前，已經(jīng)發(fā)展到由小口徑到大直徑施工。例如，小口徑的地質(zhì)勘探孔到在復(fù)雜條件下的工程施工，以及對(duì)于大直徑的基巖樁孔、石油鉆進(jìn)、海底取樣鉆進(jìn)、水文水井、地?zé)徙@進(jìn)、科學(xué)鉆探等諸多問(wèn)題都能夠快速得到解決。
（6） 為了滿足多方位要求，鉆孔方位也需要發(fā)生變化，目前，已經(jīng)由垂直打孔向水平及定向可控方面拓寬，因此需研制可控方向的沖擊器。
（7） 貫通式潛孔垂反循環(huán)連續(xù)取芯鉆進(jìn)技術(shù)集鉆進(jìn)中連續(xù)獲取巖礦芯、潛孔錘碎巖、流體介質(zhì)反循環(huán)3項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)于一體的鉆進(jìn)技術(shù)，目前，具有非常廣闊的發(fā)展前途，它也是其中一個(gè)潛孔錘鉆井技術(shù)的發(fā)展方向。
（8） 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用計(jì)算機(jī)仿真和模擬潛孔錘來(lái)進(jìn)行研究，計(jì)算機(jī)可以揭示和分析潛孔錘各結(jié)構(gòu)參數(shù)、配氣過(guò)程及主要因素對(duì)潛孔垂工作性能的影響規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)潛孔錘的輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)，這也替代了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)法、經(jīng)驗(yàn)法和類比法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定量科學(xué)設(shè)計(jì)，達(dá)到及符合現(xiàn)代的設(shè)計(jì)要求。
2 氣動(dòng)穿孔機(jī)總體構(gòu)成
2.1 氣動(dòng)穿孔機(jī)的總體構(gòu)成
氣動(dòng)穿孔機(jī)由很多部分共同構(gòu)成，不同部分之間相互協(xié)調(diào)動(dòng)作，相輔相成，此氣動(dòng)穿孔機(jī)主要可以分為本體部分，檢測(cè)部分，轉(zhuǎn)向部分，動(dòng)力部分，供氣部分，控制部分等。此次設(shè)計(jì)的氣動(dòng)穿孔機(jī)的整體簡(jiǎn)圖如下圖2.1所示。
圖2.1 氣動(dòng)穿孔機(jī)整體構(gòu)成
2.2 鉆孔工作原理
（1） 首先要仔細(xì)調(diào)查出已經(jīng)鋪設(shè)的地下管線分布情況。然后合理安排出地下鉆孔路徑。最后將鉆孔信息輸入到控制系統(tǒng)中，由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控；
（2） 將入土支架調(diào)整至合適角度，然后把氣動(dòng)穿孔機(jī)架設(shè)在入土支架上面，從而可使穿孔機(jī)獲得一定的入射角度；
（3）由控制系統(tǒng)發(fā)出指令，安排調(diào)整出合理的氣動(dòng)穿孔機(jī)入射角以及氣壓等參數(shù)，使得氣動(dòng)穿孔機(jī)處于初始工作狀態(tài)；
（4）檢查完畢后再啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)穿孔機(jī)土中穿孔作業(yè)；
（5）氣動(dòng)穿孔機(jī)地下穿孔作業(yè)可以分為直線鉆孔和曲線鉆孔兩種情況。直線鉆孔是指在土中行進(jìn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)向部分保持不變，從空氣壓縮機(jī)向沖擊機(jī)構(gòu)供一定的高壓氣，產(chǎn)生沖擊運(yùn)動(dòng)，穿孔機(jī)的錐形鉆頭不斷擠壓周圍土層，克服土層的摩擦阻力而向前鉆進(jìn)，從而形成直線軌跡。曲線鉆孔是指當(dāng)需要調(diào)整前進(jìn)軌跡時(shí)或者當(dāng)位移傳感器輸回的位移增量明顯減少時(shí)，即表明氣動(dòng)穿孔機(jī)在土中作業(yè)時(shí)遇到了障礙物，此時(shí)需要把穿孔機(jī)回拽相應(yīng)距離，由控制部分控制轉(zhuǎn)向部分，使氣動(dòng)穿孔機(jī)的錐形鉆頭轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度，角度偏轉(zhuǎn)完成后，穿孔機(jī)沿著偏轉(zhuǎn)后的方向繼續(xù)鉆進(jìn)，這個(gè)過(guò)程就實(shí)現(xiàn)了曲線鉆進(jìn)；
（6）測(cè)試部分主要用于測(cè)試穿孔機(jī)本體部分姿態(tài)數(shù)據(jù)，也是鉆進(jìn)工作時(shí)需要最先開(kāi)啟和最后關(guān)閉的部分，測(cè)試部分會(huì)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)預(yù)期軌跡與實(shí)際運(yùn)行軌跡的偏差值，不斷調(diào)整穿孔機(jī)錐形鉆頭的角度，即不斷地調(diào)整偏差、修正偏差，從而使實(shí)際軌跡與預(yù)期軌跡盡量符合。
2.3 鉆孔工作特點(diǎn)
（1） 氣動(dòng)穿孔機(jī)以壓縮空氣作為動(dòng)力源，依靠沖擊活塞以一定的速度和頻率沖擊缸體產(chǎn)生動(dòng)力，沖擊活塞的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成了沖擊能，形成較大沖擊力。錐形鉆頭依靠此沖擊力克服土層的摩擦阻力，會(huì)不斷擠壓周圍土壤沿著相應(yīng)的軌跡鉆進(jìn)，會(huì)形成中空的洞以方便管道的拖入。要形成較大的沖擊力，可以液壓或氣壓方式兩種形式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。這兩種驅(qū)動(dòng)方式均可以實(shí)現(xiàn)大功率進(jìn)給，但采用液壓驅(qū)動(dòng)方式在機(jī)器出現(xiàn)故障時(shí)，液壓的泄露會(huì)導(dǎo)致整個(gè)機(jī)器不能正常運(yùn)行，氣壓驅(qū)動(dòng)方式雖然噪聲大，但是鑒于是在地下穿孔作業(yè)，因此經(jīng)過(guò)綜合考慮本次設(shè)計(jì)采選取氣壓驅(qū)動(dòng)方式作為穿孔機(jī)鉆進(jìn)作業(yè)的動(dòng)力。
（2） 氣動(dòng)穿孔機(jī)在地下鉆進(jìn)中的方向是由轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制的，使錐形鉆頭具有不同的旋轉(zhuǎn)角，從而控制著穿孔機(jī)的軌跡。沖擊部分是穿孔機(jī)的動(dòng)力部分，為穿孔機(jī)提供地下前進(jìn)的動(dòng)力。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和沖擊機(jī)構(gòu)相互協(xié)調(diào)動(dòng)作，使得穿孔機(jī)在地下自行行走，可以更好完成在地下的直線運(yùn)動(dòng)和曲線運(yùn)動(dòng)的相互結(jié)合，運(yùn)動(dòng)的靈活性得到了提高。
（3）穿孔機(jī)的轉(zhuǎn)向部分實(shí)現(xiàn)了機(jī)器的轉(zhuǎn)向，錐形鉆頭實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向之后，沖擊機(jī)構(gòu)的向前的沖擊力方向就變成了沿著鉆頭頭部所指的方向了 。
（4）穿孔機(jī)的鉆進(jìn)過(guò)程采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，對(duì)穿孔機(jī)在地下的運(yùn)行姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)傳感器等傳輸給微機(jī)控制系統(tǒng)，則控制系統(tǒng)根據(jù)傳輸回來(lái)的數(shù)據(jù)向機(jī)器發(fā)出指令，控制、調(diào)整穿孔機(jī)在地下的運(yùn)行軌跡。
（5）完成地下軌跡可控鉆孔后，在氣動(dòng)穿孔機(jī)機(jī)器本體的末端，用連接裝置把要返回的機(jī)器與所需鋪設(shè)的管道相連，最終即可完成管道的鋪設(shè)工作。
3 氣動(dòng)穿孔機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
3.1 運(yùn)動(dòng)模型的建立
如果氣動(dòng)穿孔機(jī)是要在地下順利地進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)，為了防止出現(xiàn)鉆進(jìn)作業(yè)過(guò)程中的動(dòng)力不足以及該機(jī)器會(huì)由于被卡住了而不能在土壤中向前移動(dòng)的這些問(wèn)題的出現(xiàn)，因此穿孔機(jī)在地下的鉆進(jìn)過(guò)程必須要有足夠的推動(dòng)力來(lái)保證。本次論文所設(shè)計(jì)的機(jī)器是能夠按照預(yù)定軌跡前進(jìn)的氣動(dòng)穿孔機(jī)，為了確保在鉆進(jìn)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生軌跡的偏移以及頭部達(dá)到精確偏轉(zhuǎn)，因此，即使該機(jī)器在沒(méi)有任何需要的條件下，穿孔機(jī)的頭部也需要保持一定的位姿。
氣動(dòng)穿孔機(jī)的運(yùn)動(dòng)模型的建立，需要將機(jī)床的沖擊機(jī)構(gòu)，檢測(cè)機(jī)構(gòu)以及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，將其看作是一個(gè)質(zhì)量均勻的桿，而錐形鉆頭看作是一個(gè)獨(dú)立的均質(zhì)桿。這將簡(jiǎn)化復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)分析過(guò)程，計(jì)算過(guò)程也將更加方便。
由于氣動(dòng)穿孔機(jī)的運(yùn)動(dòng)是在三維空間中進(jìn)行的，因此可以選擇OXYZ坐標(biāo)系來(lái)建立運(yùn)動(dòng)模型的空間。
在本次設(shè)計(jì)中，用表示穿孔機(jī)的機(jī)器尾部到錐形鉆頭頭部的的長(zhǎng)度，質(zhì)量用表示，而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量則用進(jìn)行表示，a表示的是偏轉(zhuǎn)角，表示的是均質(zhì)桿的長(zhǎng)度，也就是轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與沖擊機(jī)構(gòu)的總長(zhǎng)，由所學(xué)知識(shí)可知均質(zhì)桿的質(zhì)心位于該桿的形心，設(shè)其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量用表示，該機(jī)器的頭部位置可以用（x ，z，θ）來(lái)表示，各段質(zhì)量中心分別（x，z）（i＝1,2）表示，而（i＝1,2）則表示了各線段與x軸之間的夾角，至于兩端之間的相對(duì)轉(zhuǎn)角則表示為：。由于氣動(dòng)穿孔機(jī)的錐形鉆頭是一個(gè)圓錐體，可將錐形鉆頭視為機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中的均質(zhì)剛體。
可知錐形鉆頭的體積計(jì)算公式為：
在上式中，D字母表示了錐形鉆頭底面圓的半徑。錐形鉆頭的質(zhì)心坐標(biāo)用（x11, y11, z11）表示，此坐標(biāo)的計(jì)算公式為：
x11=0l1π(D2*l1-xl1)2sinα(xsinα)dxV=l4l1sinα （3.2）
y11=0 （3.3）
z11=0l1π(D2*l1-xl1)2sinα(xcosα)dx/V=l4l1cosα （3.4）
穿孔機(jī)的運(yùn)動(dòng)模型可用圖3.1進(jìn)行表示。
圖3.1 穿孔機(jī)運(yùn)動(dòng)模型
通過(guò)上式的計(jì)算可以求出氣動(dòng)穿孔機(jī)錐形鉆頭、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及沖擊機(jī)構(gòu)的速度。
3.2氣動(dòng)穿孔機(jī)的旋轉(zhuǎn)方位檢測(cè)
氣動(dòng)穿孔機(jī)在工作時(shí)，它會(huì)源源不斷的對(duì)土壤進(jìn)行沖擊，同時(shí)克服土壤阻力，從而機(jī)器不斷向前鉆進(jìn)形成長(zhǎng)孔。軌跡可控氣動(dòng)穿孔機(jī)能夠按照事先規(guī)劃的軌跡進(jìn)行地下鉆孔作業(yè)，對(duì)于該機(jī)器的運(yùn)行方位的測(cè)量原理可用下圖1進(jìn)行表示表示。穿孔機(jī)的實(shí)際位置則可以用x，y，z這三個(gè)坐標(biāo)來(lái)進(jìn)行表示。穿孔機(jī)在前進(jìn)方向上相對(duì)于起始點(diǎn)的距離是用x坐標(biāo)表示的，該機(jī)器在垂直方向上相對(duì)于起始點(diǎn)的距離是用y坐標(biāo)進(jìn)行表示，而其在水平方向上相對(duì)于起始點(diǎn)的距離可用z坐標(biāo)表示的。氣動(dòng)穿孔機(jī)相對(duì)于x-z平面的夾角可以用P字母來(lái)進(jìn)行表示，然而相對(duì)于x-y平面的夾角則可以用Q字母來(lái)進(jìn)行表示。為了能夠確定穿孔機(jī)在地下的準(zhǔn)確位置，只需要對(duì)上述5個(gè)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算即可，所以能夠方便地進(jìn)行軌跡的修正。
氣動(dòng)穿孔機(jī)進(jìn)行地下鉆孔作業(yè)的方向需要通過(guò)它的工作頭前部的斜面的方位來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的控制，但是能夠通過(guò)改變斜面的方位來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡修正的控制。為了研究能夠方便地開(kāi)展，本論文暫時(shí)不考慮z坐標(biāo)的修正以及測(cè)量，地面相對(duì)于穿孔機(jī)的垂直距離、水平線相對(duì)于工作頭斜面的夾角及前部斜面與該氣動(dòng)穿孔機(jī)主體的自身轉(zhuǎn)角只要能夠測(cè)量出來(lái)，也就是說(shuō)可以通過(guò)改變角度P，Q，軌跡的修正就能夠得以有效地實(shí)現(xiàn)。
示意圖3.2
3.3 氣動(dòng)穿孔機(jī)轉(zhuǎn)彎的曲率半徑分析
穿孔機(jī)在地下進(jìn)行鉆孔作業(yè)的行進(jìn)方式有兩種不同的形式，具體行進(jìn)方式是指直線行進(jìn)及曲線行進(jìn)。當(dāng)由空氣壓縮機(jī)提供的壓縮空氣的功率保持恒定不變時(shí)，則該機(jī)器就能夠以一定的速度在勻質(zhì)土壤中的行進(jìn)。機(jī)器在直線行進(jìn)時(shí)是不需要考慮轉(zhuǎn)彎的曲率半徑的，但是在曲線行進(jìn)時(shí)卻不得不考慮穿孔機(jī)行進(jìn)的曲率半徑，這是因?yàn)闄C(jī)器以曲線行進(jìn)時(shí)錐形鉆頭和后面的機(jī)器本體之間會(huì)存在一定的夾角。
由前文所講述的內(nèi)容可知，錐形鉆頭均質(zhì)桿和沖擊機(jī)構(gòu)均質(zhì)桿夾角可以用a來(lái)表示，在這里我們?cè)O(shè)均質(zhì)桿1——穿孔機(jī)的錐形鉆頭長(zhǎng)度為，均質(zhì)桿2——轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和沖擊機(jī)構(gòu)成度為，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中的擺動(dòng)氣缸可以帶動(dòng)錐形鉆頭做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，曲率半徑為，分析簡(jiǎn)圖如圖3.3所示。
圖3.3 穿孔機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
通過(guò)所學(xué)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)理論知識(shí)，我們可以知道：若物體是一個(gè)均質(zhì)桿，那么它的質(zhì)心和速度瞬心就是重合的，也就是都位于均質(zhì)桿的形心處。因此，均質(zhì)體的質(zhì)心和速度瞬心的投影都位于Z軸上，設(shè)其與Z軸的交點(diǎn)為k。則線段ok=l，也就是整個(gè)機(jī)器在土壤中的轉(zhuǎn)彎半徑，可得：
l=l2cosa+l1sina （3.14）
可以設(shè)穿孔機(jī)的，錐形鉆頭的長(zhǎng)度，且當(dāng)錐形鉆頭與機(jī)器轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)角度為12°時(shí)，那么該穿孔機(jī)的轉(zhuǎn)彎曲率半徑就是：
l=l2cosa+l1sina=1360×cos12×3.14180+130sin(12×3.14180)=5762mm （3.15）
若當(dāng)錐形鉆頭與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)角度是7°時(shí)，穿孔機(jī)的轉(zhuǎn)彎曲率半徑就為：
l=l2cosa+l1sina=1360×cos7×3.14180+130sin(7×3.14180)=9756mm （3.16）
3.4氣動(dòng)沖擊頭擠壓效應(yīng)機(jī)理分析
（1）沖擊頭工作過(guò)程及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
當(dāng)穿孔機(jī)進(jìn)行地下鉆孔作業(yè)時(shí)，沖擊活塞將會(huì)在高壓氣體的作用下，將會(huì)做沖擊工作頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，會(huì)帶動(dòng)錐形鉆頭沖擊土壤，然而土壤會(huì)在沖擊力的作用下發(fā)生彈塑性的變形，進(jìn)而會(huì)帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器不斷擠壓土壤而向前鉆進(jìn)，在穿孔機(jī)鉆進(jìn)形成原始孔道后，再將管道拖入，這樣管道的鋪設(shè)工作即可完成。隨著穿孔機(jī)鉆進(jìn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，沖擊頭的結(jié)構(gòu)形式也發(fā)生了一些變化，從僅能夠做直線運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)單的楔狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成能夠?qū)崿F(xiàn)按預(yù)定軌跡進(jìn)行曲線運(yùn)動(dòng)的雙穩(wěn)頭結(jié)構(gòu)。事實(shí)上雙穩(wěn)頭結(jié)構(gòu)也就是人們通常所說(shuō)的椎體結(jié)構(gòu)，然而作為穿孔機(jī)主體的轉(zhuǎn)動(dòng)支撐的是后面作為內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)的圓柱體，并且雙穩(wěn)頭鉆頭的兩側(cè)分別裝有大、小兩個(gè)葉片，可用于擴(kuò)大孔的直徑，二者沿著椎體的軸線進(jìn)行布置。雙穩(wěn)頭結(jié)構(gòu)能夠保證穿孔機(jī)作直線運(yùn)動(dòng)和曲線運(yùn)動(dòng)兩個(gè)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖所示：
圖3.4
（2）沖擊頭擠壓效應(yīng)機(jī)理分析
穿孔機(jī)的沖擊頭在進(jìn)行鉆孔作業(yè)時(shí)，機(jī)器在沖擊頭的作用下會(huì)產(chǎn)生大的沖擊力，在鉆進(jìn)方向上的土壤將會(huì)受到剪切擠壓破壞，這一部分土壤由于受到剪切擠壓破壞而發(fā)生塑性變形，這將會(huì)逐漸地從中間向兩邊進(jìn)行擠壓，因此這部分受到擠壓力作用的土壤會(huì)被壓實(shí)而形成管狀的狀態(tài)。在這一鉆進(jìn)過(guò)程中，由于土壤產(chǎn)生了較大的塑性變形，因此土壤的徑向應(yīng)力就相應(yīng)增大了，即比原來(lái)增大許多，即是說(shuō)可應(yīng)用彈塑性理論來(lái)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，穿孔機(jī)在進(jìn)行擠壓作業(yè)過(guò)程中，沖擊頭前端土壤的徑向應(yīng)力發(fā)生了變化。在應(yīng)用彈塑性理論來(lái)計(jì)算應(yīng)力時(shí)，為了便于進(jìn)行研究，我們做出如下假設(shè)：1）鉆進(jìn)作業(yè)中的土壤是各向同性的均勻的理想彈塑性材料；2）飽和軟土是不可以繼續(xù)進(jìn)行壓縮的；3）土壤符合一般準(zhǔn)則，即摩爾一庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則；4）土壤的孔在擴(kuò)張前土壤各面的有效應(yīng)力均等。
圖3.5
圖3.6
氣動(dòng)穿孔機(jī)在進(jìn)行地下鉆孔施工時(shí)，先進(jìn)入土壤的是機(jī)器的頭部，然后沖擊機(jī)構(gòu)的沖擊，這樣連續(xù)地對(duì)土壤進(jìn)行沖擊便會(huì)在被視為無(wú)限的土壤中鉆出一個(gè)半徑為R的孔道，因此，經(jīng)過(guò)這種作用便會(huì)在孔道的四周形成一個(gè)應(yīng)力變形區(qū)，也就是我們通常所說(shuō)的應(yīng)力影響區(qū)，其簡(jiǎn)圖可用圖2來(lái)進(jìn)行表示。擴(kuò)張應(yīng)力用Pu進(jìn)行表示，對(duì)于塑性區(qū)邊界的徑向位移可用Up來(lái)進(jìn)行表示，塑性區(qū)的半徑則用Rt表示，擴(kuò)張半徑也就是軌跡可控氣動(dòng)穿孔機(jī)的半徑則可以用R來(lái)表示。因?yàn)闉榱搜芯康倪M(jìn)行，所以需要在塑性區(qū)建立起應(yīng)力平衡方程式，因此，我們需要在離孔擴(kuò)張中心線的距離為處取一個(gè)單元體，該單體可用圖3進(jìn)行表示，但是又因?yàn)槭菍⒃摽椎揽醋魇菬o(wú)限長(zhǎng)孔的擴(kuò)張，所以主應(yīng)力包括豎向應(yīng)力бγ、切向應(yīng)力бτ以及徑向應(yīng)力бr這三個(gè)應(yīng)力。這樣，由圖3所示徑向應(yīng)力的平衡條件可以得：
（бr+dбrdρ）（ρ+dρ）dθdz-бγdρdz-бτdρdθdz=0 （1）
如果忽略掉高階的微分部分，則能夠得出以下應(yīng)力平衡方程式：
dбrdρ+бγ-бτρ=0 （2）
然而又因?yàn)樵谒苄宰冃螀^(qū)域必須滿足摩爾一庫(kù)倫破壞理論，則得到：
бr-бτ 2=бγ+бγ2sinΦ+cucosΦ
其中，cu為土的不排水的抗剪強(qiáng)度，
又因?yàn)轱柡驼承酝猎诓慌潘畻l件下土壤的內(nèi)摩擦角Φ=0，故上式可以變?yōu)椋?
бr-бτ=2cu （3）
由（2），（3）兩式可得：
dбr=-2cuρdρ （4）
考慮微分方程的解得（其中c為常數(shù)）：
бr=2culnρ+c （5）
由彈性力學(xué)知識(shí)可知，在彈性區(qū)內(nèi)，可以用b表示外半徑，而內(nèi)壓用q來(lái)進(jìn)行表示，從而這兩個(gè)應(yīng)力分量分別表示為：
бγ=qRt2b2-Rt2（1-b2ρ2）
бτ=qRt2b2-Rt2（1+b2ρ2）
本節(jié)中所講到的彈性區(qū)外半徑b可以看作是處于無(wú)限大的，所以對(duì)上述兩式取極限可以得到：
бr=-q（Rtρ)2 бτ=q（Rtρ）2 （6）
但是當(dāng)在ρ=Rt彈性區(qū)邊界處時(shí)，上述的兩式也會(huì)滿足摩爾一庫(kù)倫定律，與此同時(shí)，考慮到在彈塑性邊界塑性區(qū)彈性區(qū)徑向應(yīng)力與徑向應(yīng)力是大小相等而方向是相反的，即可以得到：
c=cu+2culnRt （7）
把得到的（7）式帶入（5）式可得在塑性區(qū)域內(nèi)的任意一點(diǎn)的徑向應(yīng)力為：
бr cu =2ln（Rtρ）+1 （8）
為了把塑性半徑求出來(lái)，考慮到在塑性區(qū)邊界上的位移，則有：
up=1+μERtcu （9）
式中的E代表了土的彈性模量，而μ則代表了土的泊松比。又因?yàn)榧俣ㄋ苄詤^(qū)
的土是不可壓縮的，從而能夠得到：πR2=πRt2-π(Rt-up)2 （10）
把所得到的（9）式帶入（10）式中，并且略去高階微量可得：
RtR=E2(1+μ)cu （11）
在公式（8）中，若令ρ=R，并且將式（11）帶入即可得出孔道的擴(kuò)張應(yīng)力Pu，
用公式可以表示為：
Pucu=ln(E2(1+μ)cu)+1 （12）
4 氣動(dòng)穿孔機(jī)本體設(shè)計(jì)
氣動(dòng)穿孔機(jī)最主要由轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，沖擊機(jī)構(gòu)這兩部分構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖：
圖4.1 氣動(dòng)穿孔機(jī)本體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
4.1 穿孔機(jī)本體結(jié)構(gòu)參數(shù)
本體結(jié)構(gòu)主要由沖擊機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、測(cè)試機(jī)構(gòu)和錐形鉆頭等部分構(gòu)成。其中，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的作用是帶動(dòng)錐形鉆頭根據(jù)鉆孔要求進(jìn)行轉(zhuǎn)向，主要包括擺動(dòng)氣缸，旋轉(zhuǎn)馬達(dá)等部分。利用空氣壓縮機(jī)作為動(dòng)力的沖擊機(jī)構(gòu)，由氣缸，活塞，配氣桿芯，通孔，端蓋等部分組成。
現(xiàn)以外徑為Ф87mm的氣動(dòng)穿孔機(jī)為例來(lái)說(shuō)明其主要的技術(shù)參數(shù)，則：
（1） 規(guī)格Ф87mmX1486mm（直徑X長(zhǎng)度）；質(zhì)量約為15kg；
（2） 供氣壓力：0.6~0.8MPa；
（3） 沖擊能：37~55J；
（4） 沖擊頻率325~440次/min；
（5） 前進(jìn)速度0.4~1.5m/min；
（6） 沖擊氣缸供氣管的規(guī)格為Ф26mm；轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的供氣管規(guī)格為Ф8mm.
4.2 錐形鉆頭的設(shè)計(jì)選型
氣動(dòng)沖擊矛的種類有很多種，主要可以分為階梯式?jīng)_擊矛、螺紋式?jīng)_擊矛和尖錐式?jīng)_擊矛。螺紋式?jīng)_擊矛的優(yōu)點(diǎn)是具有很強(qiáng)的穿透能力，擁有很大的進(jìn)給力，缺點(diǎn)是由于需要用到特殊的螺紋結(jié)構(gòu)，如果鉆孔時(shí)遇到的土質(zhì)較硬，將會(huì)使軌跡發(fā)生偏移，會(huì)導(dǎo)致鉆孔精度較低，將會(huì)與預(yù)定軌跡產(chǎn)生偏離；階梯式?jīng)_擊矛的優(yōu)點(diǎn)是它的韌性很強(qiáng)，能夠有效地將行進(jìn)軌跡中遇到的巖石破碎，但是因?yàn)樘厥獾碾A梯結(jié)構(gòu)，所以并不適用于濕的土層，而且在推進(jìn)力不大時(shí)會(huì)出現(xiàn)鉆不動(dòng)的狀況，因此只有當(dāng)推進(jìn)力較大時(shí)用此種沖擊矛進(jìn)行破碎作業(yè)效果才比較可觀。尖錐式?jīng)_擊矛的鉆頭是尖錐型，容易鉆出比較光滑的孔壁，并且容易控制鉆孔軌跡，而且尖錐式?jīng)_擊矛的尖錐形鉆頭便于在土中進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)，不容易發(fā)生偏移。
本次設(shè)計(jì)的穿孔機(jī)以壓縮空氣作為動(dòng)力源，雖然氣壓沖擊會(huì)產(chǎn)生比較大的噪聲，但是考慮到是在地下進(jìn)行施工作業(yè)，因此動(dòng)力源可以選用沖擊力大的氣壓方式，假設(shè)鉆孔時(shí)土層中不會(huì)遇到堅(jiān)硬的巖石，綜合分析上述三種沖擊矛的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)的氣動(dòng)穿孔機(jī)的鉆頭可以選用尖錐式，即選用了尖錐式?jīng)_擊矛。
然而錐形鉆頭的型號(hào)也分為很多種，大體上可以分為：對(duì)成型錐形鉆頭和非對(duì)稱型錐形鉆頭兩種，對(duì)稱型錐形鉆頭受力比較均勻，徑向力在鉆孔作業(yè)時(shí)受力均勻，比較適合用于直線鉆進(jìn)的情況。非對(duì)稱型錐形鉆頭則因?yàn)椴粚?duì)稱的自身結(jié)構(gòu)，會(huì)在鉆孔作業(yè)過(guò)程中節(jié)約沖擊力，從而能夠降低沖擊力的損耗。
4.3 氣動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)
4.3.1氣動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的本體結(jié)構(gòu)
氣動(dòng)穿孔機(jī)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要由錐形鉆頭，端蓋，擺動(dòng)座，拉桿，氣缸連接銷，氣缸固定座，馬達(dá)連接軸，旋轉(zhuǎn)馬達(dá)等部分構(gòu)成。
圖4.2 氣動(dòng)穿孔機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
4.3.2 氣動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的工作原理
氣動(dòng)穿孔機(jī)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)錐形鉆頭運(yùn)動(dòng)，錐形鉆頭會(huì)形成兩種基本的運(yùn)動(dòng)，分別是錐形鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)及錐形鉆頭的擺動(dòng)。氣動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要由擺動(dòng)氣缸、擺動(dòng)桿、傳遞芯、氣缸固定座、馬達(dá)連接軸、機(jī)構(gòu)外殼體和旋轉(zhuǎn)馬達(dá)等組件構(gòu)成。馬達(dá)和擺動(dòng)氣缸通過(guò)軸座相連，擺動(dòng)氣缸和錐形鉆頭通過(guò)連桿相連接，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)擺動(dòng)氣缸，通過(guò)擺動(dòng)氣缸的作用進(jìn)而帶動(dòng)錐形鉆頭旋轉(zhuǎn)，錐形鉆頭頭部的擺動(dòng)則是通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)的推動(dòng)。由于氣動(dòng)穿孔機(jī)的錐形鉆頭在地下施工時(shí)，其頭部的擺動(dòng)需要相應(yīng)的空間，因此當(dāng)錐形鉆頭頭部需要轉(zhuǎn)動(dòng)或者擺動(dòng)時(shí)，需要先將機(jī)器往回拉一定距離，這樣才能夠留出動(dòng)作所需的足夠的動(dòng)作空間。
4.4 氣動(dòng)沖擊結(jié)構(gòu)
4.4.1 氣動(dòng)沖擊機(jī)構(gòu)的構(gòu)成
氣動(dòng)沖擊機(jī)構(gòu)是該機(jī)器的動(dòng)力源，由于其要為整個(gè)機(jī)器提供足夠大的鉆孔推進(jìn)力，所以該機(jī)構(gòu)足夠的剛度要保證，氣密性也要得到保證。氣動(dòng)穿孔機(jī)的沖擊機(jī)構(gòu)主要由活塞、沖擊氣缸、進(jìn)氣管道、氣缸蓋以及進(jìn)氣管接頭等部件組成。此外，缸體需要由支撐環(huán)和活塞環(huán)來(lái)支撐，這樣的結(jié)構(gòu)才能確保其氣密性。
沖擊活塞上的通孔將沖擊機(jī)構(gòu)的前后空氣腔相連接。該通孔的作用主要是進(jìn)行氣壓的調(diào)節(jié)，但單個(gè)通孔并不能達(dá)到既定的任務(wù)目標(biāo)。因此，仍然需要配氣桿芯和通孔相互配合，由于通孔是在活塞上，因此活塞的初始位置可以通過(guò)調(diào)節(jié)活塞來(lái)調(diào)節(jié)。也就是說(shuō)活塞的運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)調(diào)節(jié)通孔的初始位置來(lái)控制，其實(shí)也就是控制整個(gè)活塞的位置。氣缸、活塞、支承環(huán)、活塞環(huán)是由不同材料制成的。起密封作用的零部件用橡膠制做，動(dòng)力部分和沖擊部分是由合金材料制成的，因?yàn)槠湟艿捷^大的力的作用。支撐環(huán)的作用是支撐活塞。由于活塞是懸浮在氣缸中的，所以能夠防止因來(lái)回摩擦造成的機(jī)械損壞或空氣泄漏?；钊h(huán)可在擠壓條件下形成封閉通道。
空氣壓縮機(jī)為氣動(dòng)穿孔機(jī)提供工作所需的動(dòng)力，空氣壓縮機(jī)的輸出的空氣壓力0.7～0.9MPa，實(shí)際上也就是工作壓力。氣動(dòng)沖擊機(jī)構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn)，而氣動(dòng)沖擊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單是其最突出的優(yōu)點(diǎn)，而且后座力也小于其他動(dòng)力機(jī)構(gòu)，但是質(zhì)量卻不大，因此可以降低整機(jī)的重量。該機(jī)器的氣動(dòng)沖擊機(jī)構(gòu)的示意圖如圖4.2所示。
圖4.3 氣動(dòng)穿孔機(jī)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
4.4.2 氣動(dòng)沖擊機(jī)構(gòu)的工作原理
活塞沖擊過(guò)程 根據(jù)前后氣腔氣壓的大小和活塞的運(yùn)動(dòng)狀況，可以將活塞的沖擊過(guò)程劃分為勻加速運(yùn)動(dòng)、變加速運(yùn)動(dòng)和減速撞擊運(yùn)動(dòng)這三個(gè)運(yùn)動(dòng)階段。
（1） 勻加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程（位移為的過(guò)程）。在位移內(nèi)，具有一定壓力的壓縮氣體能夠直接通過(guò)進(jìn)氣孔道以進(jìn)入活塞后氣腔中，又因?yàn)楹髿馇恢械臍怏w是具有一定壓力的，所以后氣腔中的壓縮空氣的力將會(huì)對(duì)活塞產(chǎn)生推動(dòng)作用，然而此時(shí)前氣腔中的氣體的壓力與空氣氣壓相同，即氣體壓力為常壓，因此前后氣腔的氣壓壓力差會(huì)使活塞在沖擊機(jī)構(gòu)內(nèi)做加速前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。
（2） 變加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程（位移為的過(guò)程）。當(dāng)活塞做向前的勻加速運(yùn)動(dòng)一段位移后，活塞上的通孔一直處于被堵住的狀態(tài)。此時(shí)，前氣腔中的氣體不能與外界進(jìn)行氣體交換，因此前氣腔中的氣體壓力將隨著活塞的不斷向前運(yùn)動(dòng)不斷增加，在短時(shí)間內(nèi)將氣體進(jìn)行絕熱壓縮，由于氣體壓力的不斷增加，不斷增加壓力的氣體將會(huì)對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力作用，所以，這將會(huì)不斷地減小活塞的加速度，直至加速度減小為零。
（3） 減速撞擊運(yùn)動(dòng)過(guò)程（位移為的過(guò)程）。隨著活塞繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)一段距離，將會(huì)使活塞上的通孔與后氣腔聯(lián)通時(shí)，此時(shí)，前氣腔中的壓縮氣體的壓力作為工作氣體的壓力，然而后氣腔中的氣體由于與空氣相通過(guò)，壓力就與壓縮空氣的壓力相同。又因?yàn)闆_擊氣缸前氣腔的直徑D大于活塞后氣腔的直徑d，根據(jù)力學(xué)相關(guān)知識(shí)，當(dāng)前后氣腔的氣體壓力一樣而接觸面積不相等時(shí)，則活塞受到的前后腔的推力是不相等的，因此活塞將會(huì)在前后氣腔壓力差的作用下進(jìn)行減速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)活塞與活塞前面的端蓋產(chǎn)生碰撞時(shí)意味著沖程運(yùn)動(dòng)過(guò)程結(jié)束。
活塞回程過(guò)程 活塞回程運(yùn)動(dòng)過(guò)程能夠看作與活塞沖程運(yùn)動(dòng)過(guò)程相反的過(guò)程，即分別為反向勻加速運(yùn)動(dòng)，反向變加速度運(yùn)動(dòng)以及沖擊氣缸蓋后的減速運(yùn)動(dòng)。
（1） 反向勻加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程（位移為的過(guò)程）。當(dāng)沖程運(yùn)動(dòng)階段完成后，即活塞碰撞到前端蓋后，活塞就會(huì)進(jìn)行反向運(yùn)動(dòng)。同理，由于氣缸的前氣腔直徑D大于活塞后氣腔直徑d，根據(jù)力學(xué)相關(guān)知識(shí)可以知道，氣缸前后氣腔氣體的作用力大小是不同的，前氣腔氣體的作用力大于氣缸后氣腔氣體的作用力，即是存在壓力差，因此活塞會(huì)向作用力小的方向運(yùn)動(dòng)。
（2） 反向變加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程（位移為的過(guò)程）。活塞繼續(xù)向后端蓋方向移動(dòng)，此時(shí)通孔隨著活塞一同向后方移動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)了一段位移后，將會(huì)把活塞上的通孔堵死，此時(shí)，活塞中前氣腔中的氣體處于密封狀態(tài)。此時(shí)前氣腔跟后氣腔中的氣體壓力一樣，都約為0.7~0.9MPa，前后氣腔中氣體壓力雖然是一樣的，但是由于前氣腔中的氣體是絕熱壓縮過(guò)程，氣體會(huì)絕熱膨脹，然而后氣腔中的氣體則是正常的工作壓力氣體，并不是絕熱膨脹的氣體，所以做的是負(fù)功，通過(guò)比較正功與負(fù)功絕對(duì)值的大小，可以判斷出活塞向后端蓋方向不斷移動(dòng)，在移動(dòng)的過(guò)程中，雖然活塞的加速度不斷降低，但是速度卻在逐漸增加，因此是變加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程。
（3） 減速回撞運(yùn)動(dòng)過(guò)程（位移為的過(guò)程）。隨著活塞不斷向后端蓋方向移動(dòng)，通孔也會(huì)伴隨著活塞一同移動(dòng)，當(dāng)活塞通氣孔被堵住時(shí)，此時(shí)，后氣腔中的氣體又被密封，且氣體壓力就是工作氣體的壓力，即約為0.7~0.9MPa。前氣腔中的氣體通過(guò)氣體通道直接與外界氣體相聯(lián)通，此時(shí)的壓力是大氣壓力的壓力差，活塞會(huì)不斷地進(jìn)行緩慢的運(yùn)動(dòng)，直到它碰撞到了活塞蓋的后端。
因此，當(dāng)不斷地通入有一定氣壓的壓縮氣體時(shí)，活塞就會(huì)連續(xù)不斷地做著前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)，事實(shí)上這個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)就是活塞的沖程運(yùn)動(dòng)和活塞的回程運(yùn)動(dòng)。
5 氣動(dòng)穿孔機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)控制氣動(dòng)穿孔機(jī)，能夠使其單獨(dú)完成整個(gè)流程的運(yùn)行，這樣就能夠保障實(shí)現(xiàn)穿孔機(jī)的人為操作和控制。所以，進(jìn)一步改善了它的可靠程度和實(shí)用程度。
我們通常理解的上位機(jī)，即所謂的PC工控機(jī)，實(shí)質(zhì)上是一種能夠顯示穿孔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制輔助系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^(guò)這一系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面，而且能夠完成穿孔機(jī)對(duì)施工路徑的規(guī)劃、環(huán)境和設(shè)置任務(wù)初始值的輸入等功能。它處于地面上，能夠增加整個(gè)機(jī)器的協(xié)調(diào)感。
然而所謂的下位機(jī)其實(shí)就是控制器，在穿孔機(jī)的控制及其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面，指導(dǎo)思想一直是真實(shí)可靠、小體積、輕重量，主要由測(cè)試穿孔機(jī)錐形鉆頭角度的編碼器電路、直流電源模塊、一個(gè)接近傳感器的機(jī)器以及數(shù)字羅盤測(cè)量控制電路板及其內(nèi)部的一個(gè)重要組成部分構(gòu)成。只有通過(guò)控制系統(tǒng)的控制，穿孔機(jī)才能按照施工要求的預(yù)定軌跡按時(shí)按量完成穿孔作業(yè)。穿孔機(jī)之所以能夠按照預(yù)定的軌跡實(shí)現(xiàn)穿孔作業(yè)，是因?yàn)槟軌蛲ㄟ^(guò)數(shù)字羅盤傳感器接收到的實(shí)時(shí)反饋信號(hào)。穿孔機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的反饋信號(hào)是通過(guò)上位機(jī)獲得，然而也需要嚴(yán)格控制穿孔機(jī)穿孔作業(yè)的實(shí)時(shí)姿態(tài)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，當(dāng)然要實(shí)現(xiàn)這種控制需要由下位機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
5.1 電磁閥輸出驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
在穿孔機(jī)控制系統(tǒng)控制的影響機(jī)制的整平作用下，兩個(gè)雙向電磁閥將會(huì)發(fā)揮作用。這種控制系統(tǒng)的使用范圍很廣，它的控制效果也得到了極大地認(rèn)可。它作為一種可靠的控制元件，其特點(diǎn)是以可控硅來(lái)輸出。因?yàn)榫чl管的控制由微弱電流實(shí)現(xiàn)，這是其特有的輸出特性，因此，當(dāng)遇到較大的電流值時(shí)，只需要較少的功率就能夠?qū)崿F(xiàn)控制作用。此外，晶體管電路是用它來(lái)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)的，觸發(fā)信號(hào)通過(guò)光耦隔離，然后加入晶閘管上。各個(gè)領(lǐng)域也在廣泛地使用晶體管。
我們知道光電耦合器的工作需要一個(gè)接收光源的裝置，而本次設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)所采用的光源接收裝置是選擇光電晶體管。觸發(fā)信號(hào)在還沒(méi)有加入之前時(shí)，該裝置處于斷開(kāi)狀態(tài)的是光電耦合器中的發(fā)光二極管和光電晶體管。與此同時(shí)，輸入一個(gè)低電平給另一個(gè)電磁鐵的驅(qū)動(dòng)電路中的光耦的3腳，光耦在這時(shí)候并不會(huì)導(dǎo)電，晶閘管會(huì)處在關(guān)閉的狀態(tài)下，電磁不能夠得到電。單片機(jī)輸出低電平時(shí)是在P1.0的狀態(tài)，但是卻會(huì)在P1.1時(shí)輸出高電平，從而將實(shí)現(xiàn)氣缸中的活塞的運(yùn)動(dòng)。
5.2 HMR3300數(shù)字羅盤的原理及其數(shù)據(jù)采集
5.2.1 HMR3300數(shù)字羅盤的原理
為了能夠有效地測(cè)量運(yùn)動(dòng)中的物體的傾斜、航向和橫滾這三個(gè)參數(shù)，因此霍尼韋爾國(guó)際公司開(kāi)發(fā)出了一個(gè)固態(tài)數(shù)字羅盤。此裝置可以用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人的實(shí)時(shí)姿態(tài)?；裟犴f爾國(guó)際公司開(kāi)發(fā)的這個(gè)固態(tài)數(shù)字羅盤主要組成部分包括：三個(gè)加速度計(jì)和三個(gè)磁場(chǎng)計(jì)。
5.2.2 數(shù)字羅盤的數(shù)據(jù)采集
在HMR3300數(shù)字羅盤串行數(shù)據(jù)的形式中，通常我們會(huì)選擇輸出時(shí)其串行數(shù)據(jù)形式為有4根外部接線的方式，要用這四根外接線中的一根與電源+12V上的接口相聯(lián)接，電源地的三根線再選用兩根線來(lái)接，最后一根則用來(lái)與PC機(jī)的串口相連。數(shù)字羅盤的數(shù)據(jù)采集狀況介紹如下：
（1）我們?cè)诰帉懗绦虻臅r(shí)候，PC機(jī)接收到的緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)會(huì)事先被讀入，可以通過(guò)使用MSComm控件來(lái)對(duì)HMR3300數(shù)字羅盤測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)。
我們進(jìn)行串口訪問(wèn)時(shí)一般采用計(jì)算機(jī)或者單片機(jī)這兩種形式。此外，MSComm能夠很好地管理計(jì)算機(jī)串口的通信。是因?yàn)檫\(yùn)用了支持應(yīng)用程序?qū)Υ薪涌谶M(jìn)行訪問(wèn)的VC++6.0提供的ActiveX控件MSComm的存在，所以串行通信功能得到了更好地發(fā)揮。它利用的控件也非常簡(jiǎn)單，只需要將你所需要的屬性設(shè)置好，其次再調(diào)試好輸出特性，最后發(fā)送需要接收的數(shù)據(jù)時(shí)，此裝置就會(huì)自動(dòng)做出相應(yīng)處理。
（2） 在接收緩沖區(qū)的時(shí)候，PC機(jī)很可能會(huì)得到許多種數(shù)據(jù)，我們只需要在當(dāng)前姿態(tài)接收到的有效數(shù)據(jù)中選擇一組合適的數(shù)據(jù)即可。
（3） 在進(jìn)行第二次操作之后，就能夠又得到一組有效數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)分別代表實(shí)際測(cè)量航向、俯仰角，但是需要注意的是：根據(jù)逗號(hào)和空間特征能夠?qū)⑵浞譃槿怼?
（4） 在很多種控件中要選擇曲線控件來(lái)進(jìn)行，因?yàn)橛么朔N控件能夠?qū)崟r(shí)地顯示出三個(gè)浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，同時(shí)也需要將其顯示在控制系統(tǒng)界面上，其目的主要是為了更好地監(jiān)控機(jī)器人的位置與姿態(tài)。在實(shí)行一系列地操作后，為了便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以及便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，因此需要將之前所采集到的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在指定的文件中。
6設(shè)計(jì)總結(jié)
設(shè)計(jì)用于地下非發(fā)展管道鋪設(shè)工作的氣動(dòng)穿孔機(jī)是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的必由之路。用于非開(kāi)挖的氣動(dòng)穿孔機(jī)能夠在不破壞地面的情況下，一樣可以完成各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)及角度的地下鉆孔施工。因此交通不會(huì)受到影響，也不會(huì)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境的污染，對(duì)施工地附近居民正常的生活帶來(lái)的影響較小。最后，需要鋪設(shè)的管線被拖入并一次性完成鋪設(shè)工作。
此次設(shè)計(jì)的氣動(dòng)穿孔機(jī)主要由錐形鉆頭部分、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及沖擊機(jī)構(gòu)等部分組成。錐形鉆頭的材料由鎢合金制成。轉(zhuǎn)向部分的運(yùn)動(dòng)分為錐形鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)，而旋轉(zhuǎn)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)了錐形鉆頭的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向部分的擺動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn)了鉆頭的擺動(dòng)。沖擊氣缸、沖擊活塞及供氣管道等部分組成了氣動(dòng)穿孔機(jī)的沖擊機(jī)構(gòu)。該機(jī)器的主要驅(qū)動(dòng)力是采用了氣壓傳動(dòng)的方式。氣壓傳動(dòng)的使用不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，而且空氣資源可以取之不盡用之不竭，總的來(lái)說(shuō)很實(shí)用。
氣動(dòng)穿孔機(jī)是通過(guò)上位機(jī)來(lái)進(jìn)行控制的，首先要對(duì)施工地地下的現(xiàn)有管道鋪設(shè)狀況進(jìn)行深入地調(diào)查，制定詳細(xì)合理的地下鉆孔軌跡方案。既要確保地下非開(kāi)挖管道鋪設(shè)工作的順利完成，又不能夠影響已經(jīng)存在的地下管道系統(tǒng)。
此次設(shè)計(jì)的氣動(dòng)穿孔機(jī)，地下自由行走的功能不僅能夠?qū)崿F(xiàn)，而且也要能夠達(dá)到既定的設(shè)計(jì)目的及相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求。目前要將此技術(shù)應(yīng)用于大規(guī)模的實(shí)際生產(chǎn)制造還要考慮很多因素，離想要的理想情況還有很大一段距離。因此，尚需要進(jìn)行進(jìn)一步地設(shè)計(jì)和研究，才能達(dá)到預(yù)期效果。并且隨著非開(kāi)挖技術(shù)的繼續(xù)向前發(fā)展以及氣動(dòng)沖擊矛的深入研究，以后將會(huì)產(chǎn)生更加先進(jìn)和安全高效的管道鋪設(shè)方法及更好地使用地下非開(kāi)挖技術(shù)。
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致謝
四年的大學(xué)時(shí)光即將畫(huà)上圓滿的句號(hào)，回顧這四年的美好時(shí)光，真的讓自己覺(jué)得很有意義。這四年里不僅對(duì)本專業(yè)的知識(shí)進(jìn)行了系統(tǒng)地學(xué)習(xí)，而且還提高了動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力。雖然這四年里一開(kāi)始比較迷茫，但是很快就找到了前進(jìn)的目標(biāo)，每一天都過(guò)得很充實(shí)，而且大部分時(shí)間是在圖書(shū)館度過(guò)的。最讓自己難忘的是參加了考研，那一年是不一樣的一年，經(jīng)歷了很多，讓自己思考了很多，也成長(zhǎng)了很多，在這個(gè)過(guò)程中，我真正明白了有些事并沒(méi)有想象的那么難，只要用心去做就夠了，最后的結(jié)果都不會(huì)太差。
在這次畢業(yè)論文的書(shū)寫過(guò)程中，我的指導(dǎo)老師給了我很大的幫助，不論是在一開(kāi)始的題目選擇上還是在寫論文的過(guò)程中。在遇到有困難的地方時(shí)，總會(huì)去和老師進(jìn)行溝通，老師也總是耐心解答。即使有些知識(shí)點(diǎn)老師也忘了，他也會(huì)找資料盡力跟我講解明白知識(shí)點(diǎn)。深深地感謝老師們，你們認(rèn)真負(fù)責(zé)的品質(zhì)讓我們佩服。
最后，我要感謝我的家人，他們一直是我的堅(jiān)強(qiáng)后盾，不管在物質(zhì)上還是在精神上，給予我極大地支持和幫助。當(dāng)然，還要感謝幫助過(guò)我的同學(xué)和其他老師，讓我在傷心難過(guò)的時(shí)候，感到溫暖；讓我在迷茫困惑的時(shí)候，給我些許開(kāi)導(dǎo)，讓我重新找到方向。我還想說(shuō)，在研究生的日子里，我會(huì)繼續(xù)努力，繼續(xù)充實(shí)自己，讓自己變得更加優(yōu)秀。
附錄1：外文譯文
穿刺泥漿機(jī)器人推進(jìn)沖擊性能研究
摘要
穿刺式泥漿機(jī)器人是一種可以在地球上自行行走的非開(kāi)挖裝置。在泥漿下主要可鋪設(shè)PE PPEPEVC光纖電纜，具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展價(jià)值。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外非開(kāi)挖技術(shù)中可控氣動(dòng)沖擊矛沖擊結(jié)構(gòu)的研究，設(shè)計(jì)了穿刺泥漿機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置。敘述了設(shè)備的機(jī)械特性和工作原理，建立了器件三維模型，完成了器件虛擬裝配。這個(gè)推導(dǎo)了驅(qū)動(dòng)裝置的參數(shù)方程，分析了主要參數(shù)對(duì)輸出能力的影響。根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的沖擊能力進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了沖擊能力的理論結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明，該驅(qū)動(dòng)裝置能夠滿足穿刺功率的需要。本文可為穿孔泥漿機(jī)器人總體設(shè)計(jì)提供參考。
關(guān)鍵詞：鑿泥機(jī)器人 非開(kāi)挖技術(shù) 驅(qū)動(dòng)裝置 測(cè)試能力
一、 引言
隨著城市的快速發(fā)展，從1970年初開(kāi)始，非開(kāi)挖技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于地面鋪設(shè)管道。在一點(diǎn)點(diǎn)的情況下該技術(shù)可以檢測(cè)、檢查、修理、更新和鋪設(shè)各種地下管道或電纜等。目前非開(kāi)挖技術(shù)主要包括（1, 2）鋪砌技術(shù)，如定向鉆進(jìn)、沖擊摩阻、易管法、水平螺旋鉆進(jìn)、管夯等，以及各種非開(kāi)挖管道修復(fù)檢測(cè)技術(shù)。其中氣動(dòng)沖擊磨具是一種非常普及的設(shè)備，它具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、投資少等特點(diǎn)。它的發(fā)展已有幾十年的歷史，莫斯科已在1960設(shè)計(jì)了無(wú)閥氣動(dòng)沖擊器。后來(lái)，美國(guó)維爾梅爾公司的德國(guó)人Tracro Tealk相繼開(kāi)發(fā)出相同的產(chǎn)品。2000德國(guó)日照TracoTealk公司生產(chǎn)的定向撞擊鼴鼠是所有產(chǎn)品的最佳代表。其工作原理（如圖1）是由左側(cè)工人反饋沖擊錘的姿態(tài)參數(shù)。如果需要調(diào)整先進(jìn)的軌跡，正確的工人轉(zhuǎn)向定向管，將扭矩傳遞到轉(zhuǎn)向裝置，將頭部帶動(dòng)成一定角度，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)軌跡。往復(fù)運(yùn)動(dòng)的輸出功率，創(chuàng)造了先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力，完成了鉆孔施工，為沖擊力的特性提供了參考。
二、 驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)與虛擬裝配
本文借鑒了沖擊控制的特點(diǎn)（3, 4），根據(jù)穿刺泥漿機(jī)器人的工作原理，提出了機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)思想，并對(duì)其工作能力進(jìn)行了分析。現(xiàn)在，讓我們來(lái)介紹一下它的理論。
組裝、配氣桿芯、氣體分配極座、氣瓶背蓋、氣管道連接件等。其中，沖擊活塞總成3沖擊活塞、4回路部分和6活塞環(huán)部分。這個(gè)在沖擊活塞上開(kāi)有從前后空腔連接的氣孔。沖擊活塞的運(yùn)動(dòng)由氣隙與氣體分配極芯的配合反饋控制。為了避免活塞與缸內(nèi)壁的剛性接觸，減小摩擦力，連接部分使活塞保持浮箱。依靠自身的彈性，活塞環(huán)部分的作用防止氣體的釋放。驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)力來(lái)自連接9個(gè)氣體管道連接部件的空氣壓縮機(jī)。結(jié)果表明，該驅(qū)動(dòng)裝置具有裝置簡(jiǎn)單、零件少、質(zhì)量高、反彈功率小的特點(diǎn)。
驅(qū)動(dòng)裝置分為每個(gè)部分和虛擬部分。驅(qū)動(dòng)裝置的裝配〔5〕如圖3所示。新約結(jié)果表明，各部件總成不受干擾。
三、 傳動(dòng)裝置的工作原理
驅(qū)動(dòng)裝置活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)沖擊，其工作過(guò)程分為超前沖擊和回溯沖擊。
3.1級(jí)沖擊過(guò)程
在圖2中，活塞狀態(tài)處于開(kāi)始階段。沖擊過(guò)程。根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)過(guò)程工作時(shí)，活塞的提前沖擊過(guò)程被分為恒加速度、變加速和減速?zèng)_擊。
恒定加速度活塞移動(dòng)位移 S1
活塞由壓縮空氣P0加速燃?xì)夤艿肋B接部分9通過(guò)燃?xì)夤艿繢至后氣腔（B）。隨著活塞的運(yùn)動(dòng)，前氣體氣瓶?jī)?nèi)的空腔（A）從前孔中排出?；钊c氣瓶間隙，活塞（C）氣隙，間隙在氣體分配極芯和活塞孔之間，氣體分配極座的氣孔、氣體罐蓋與氣體管道之間的間隙連接到外部。氣隙與氣腔（B）之間的氣體密封采用氣體分配極CORE5的迷宮密封，因此氣腔（A）中的空氣壓力是恒定的，氣體腔（B）中的空氣壓力為P0＝0.7～0.8 MPa。這里活塞運(yùn)動(dòng)是恒定加速度，活塞位移是S1。
2、變速活塞運(yùn)動(dòng)位移是S2
在移動(dòng)S1后，活塞孔（C）的氣體被完全密封。采用氣體分配磁極鐵心。氣腔（B）中的空氣壓力仍為P0，氣腔（A）中的空氣由極（C）密封。在這里，氣體腔（A）中的空氣被壓縮并被認(rèn)為是絕熱過(guò)程，因?yàn)闀r(shí)間很短。同時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力，活塞運(yùn)動(dòng)加速變化，S2活塞速度達(dá)到最大值。
3、減速?zèng)_擊
在移動(dòng)S2后，活塞孔（C）被氣體取消。分配極核心與氣體空腔（B）連接。在這里，氣體管道（P0）中的空氣P0從氣腔（B）、通過(guò)活塞孔（C）、氣體管道和管道進(jìn)入氣體腔（A）。由于氣腔直徑（A）大于氣腔（B），氣腔（A）的作用力優(yōu)于氣腔（B），因此活塞運(yùn)動(dòng)為減速?zèng)_擊，活塞位移為S3。最后，活塞以一定的速度沖擊氣瓶前部，提前沖擊過(guò)程結(jié)束，總活塞位移為s= s1+s2+s3。
3.2回溯沖擊過(guò)程
相反，回溯沖擊過(guò)程可以被認(rèn)為是逆推進(jìn)提前沖擊過(guò)程，并分離成反向恒定加速度變化。加速和減速?zèng)_擊氣體罐后蓋。相關(guān)回程活塞位移也是。因此，從活塞運(yùn)動(dòng)開(kāi)始，基于活塞沖擊氣瓶的前后蓋，以一定的頻率和速度建立振動(dòng)本身。通過(guò)調(diào)整氣孔（C）和氣體分配極芯的起始位置，可以控制機(jī)器人在地球中前進(jìn)和回退的速度和方向。
四、主要參數(shù)對(duì)輸出能力的影響
從主參數(shù)到輸出的影響因素性能（如沖擊功、沖擊頻率等）驅(qū)動(dòng)裝置包括空氣壓力（P0）、活塞質(zhì)量（M）、每相位移（稱為氣體分配）。參數(shù)S1、S2、S3）。根據(jù)主要參數(shù)作為基本數(shù)據(jù)，導(dǎo)出了驅(qū)動(dòng)裝置的參數(shù)和輸出能力方程。然后通過(guò)僅改變參數(shù)的分析，分析了主要參數(shù)對(duì)輸出能力的影響。氣體腔（A，B）的氣壓與活塞位移之間的關(guān)系如圖4所示。例如超前沖擊過(guò)程、驅(qū)動(dòng)裝置上建立的參數(shù)動(dòng)態(tài)方程如下。
驅(qū)動(dòng)裝置的沖擊功（E）為公式（1）：
E= mv2 / 2 （1）
其中：沖擊活塞質(zhì)量，kg 。確定了沖擊裝置基本參數(shù)后的V活塞沖擊速度、M/S，活塞質(zhì)量與機(jī)械尺寸有關(guān)，沖擊速度是空氣壓縮功。作為恒定加速度（位移為圖1的S1），空氣氣腔壓力（B）為P0，氣腔內(nèi)氣壓（A）為P1，活塞摩擦為常數(shù)F，故存在下界表達(dá)式：
t1=2s1a1 （3）
v1=2s1a1 （4）
其中：
在S1、M/S的S1、S/V1速度、位移S1相、A/S2 T1時(shí)間的加速加 s速
氣腔直徑D（b），氣腔直徑m（a），m為變加速（位移為圖4的S2）；
從氣腔（B）中的空氣做功，從空氣中做功，氣體空腔（A）為負(fù)，對(duì)于空氣絕熱過(guò)程，有 PVK＝const，k為絕熱系數(shù)。所以有下面的公式：
其中：
PS腔內(nèi)氣體壓力（